基于連云港海相軟土的新型土工材料強度試驗研究

苗永紅，楊 淼

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

國內外沿海地區(qū)海岸工程的大規(guī)模興起產生了大量的疏浚淤泥，對于淤泥處理有物理法和熱處理兩種傳統(tǒng)方法[1-3].物理法主要是陸地拋填、海洋傾倒，其會產生海洋污染環(huán)境、占用大量耕地等問題.熱處理主要采用脫水、燒結，但造價較高，且對大批量、高含水量的淤泥不適用.近些年淤泥固化技術由于固化效率高、效果好、成本低而受到廣泛關注.淤泥固化技術，一般采取固化和輕量化兩種方法來處理，這些方法既可有效解決淤泥占用土地和污染環(huán)境的問題，又可為沿海地區(qū)工程建設提供大量的工程填料.

傳統(tǒng)的固化材料以水泥為主要摻料，通過一定的配合比混合制成，固化效果不穩(wěn)定且造價較高[4-6].目前對于固化劑的探索，國內外學者們不僅對無機復合材料展開了大量研究，還嘗試用高分子無機材料、生物酶等制備新型固化材料.

王東星等[7]基于傳統(tǒng)水泥和石灰固化處理方法，提出了利用大摻量低鈣粉煤灰、水泥和石灰固化劑進行淤泥固化處理的方法.丁建文等[8]提出用水泥-磷石膏固化高含水率疏浚淤泥的方法，并通過一系列室內試驗驗證了固化效果.Kolias等[9]使用水泥和粉煤灰固化黏土獲得了較好的固化效果，并研究了固化劑摻入量與固化強度的規(guī)律.

Seze A等[10]研究了摻入工業(yè)礦渣、石灰的黏土的無側限抗壓強度變化規(guī)律.高術森等[11]研究了海涂淤泥中摻入聚丙烯纖維對固化效果的影響，分析了聚丙烯纖維的固化機理. Hou[12]通過無側限抗壓強度試驗，研究了EPS輕質土優(yōu)化配方方案，給出了強度、密度和混合土的摻入量的經驗公式.沙玲等[13]通過三軸試驗研究了EPS顆粒摻量、齡期對輕質混合土的抗壓強度影響.曹玉鵬等[14]提出了用水泥-生石灰-高分子復合材料固化高含水率淤泥的方法，通過室內試驗探討了各固化劑摻入比與無側限抗壓強度的影響規(guī)律. Lu等[15]研究了原位土中的細菌微生物對土壤的固化效果，實驗結果表明微生物可通過增加土壤內部物質的沉淀、凝固來提高抗壓強度.

綜上所述，針對淤泥土的固化還需展開大量的研究，本研究針對傳統(tǒng)的淤泥固化方法從輕質、環(huán)保兩方面嘗試進行改良，以期得到經濟的新型土工材料.通過對新材料進行強度試驗，分析不同固化材料摻量、不同齡期對無側限抗壓強度的影響，探討淤泥土固化的機理，并提出一個簡單、高效、經濟的淤泥固化方案，試驗結果對同類工程具有現實的指導意義.

1 試驗設計

1.1 固化材料

試驗采用的淤泥土樣取自連云港東港區(qū).主要化學成分包括：SiO2、Al2O3及其他堿金屬氧化物.表1中的物理力學性質指標表明，該土具有含水率高、滲透性差、壓縮性高的特點.

表1 淤泥土物理力學性質特征

本試驗用到的材料包括：水泥、EPS、粉煤灰、礦渣、石灰、石膏、細砂.水泥為南京鐘山牌42.5#普通硅酸鹽水泥；發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒粒徑范圍2～3 mm，密度為0.036 8 g/cm3，EPS材料具有良好的輕質性，且具有一定的強度，主要用于輕量化處理；粉煤灰為煤燃燒后的煙氣中收集的細灰，主要的氧化物組成包括SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO；礦渣來自于工業(yè)生產中的廢料，含鐵量在93%以上，規(guī)格為0.2～2.0 mm；生石灰粉，主要成分CaO；石膏粉，主要化學成分CaSO4?2H2O；砂為SiO2含量不小于96%的天然硅砂，粒度范圍0.25～0.65 mm.

1.2 試驗方案

無側限抗壓強度是分析淤泥固化效果最重要也最直觀的力學性能指標.因此，為研究各摻料的固化效果進行了一系列的室內無側限抗壓強度試驗.試驗選取EPS顆粒為輕質材料，水泥為主固化材料，粉煤灰、礦渣、砂、石灰、石膏等為輔助固化材料，其中石灰、石膏主要作為減水劑使用.首先對水泥單一固化材料進行無側限抗壓強度試驗，再對摻入兩種或多種固化劑的新型土工材料進行對比試驗.具體試驗方案見表2.

1.3 試樣制備

按照試驗方案的配合比，稱取一定量的淤泥倒入攪拌機內進行攪拌，再加入水泥，機械強制拌5 min后加入EPS顆粒及其他固化劑，攪拌均勻后將混合好的土工材料裝入直徑39.1 mm、高80 mm的三瓣模具中.模具內壁涂抹機油以提高試件與試模內壁之間的潤滑性.每組制作3個試樣進行平行試驗.

制樣時按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)，將混合土分三層裝入三瓣模中.為排除試樣中的孔隙使試樣密實，采用分層壓實的方法，確保試樣不出現蜂窩、麻面.試樣制備好后置入標準養(yǎng)護箱中，24 h后脫模并放入標準養(yǎng)護箱(濕度95%，溫度20±2 ℃)中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期分別為7、14、28、60 d.制備的試樣見圖1.

圖1 新型土工材料試樣 Fig.1 The new geotechnical material sample

2 結果及分析

圖2-圖5所示分別為不同的水泥、粉煤灰、礦渣、砂摻量下與淤泥固化土的無側限抗壓強度變化曲線.試驗結果表明,在水泥、EPS摻量不變的條件下，增加粉煤灰、礦渣、砂的摻量，都可有效地提高抗壓強度，強度增長幅度分別為183%、165%、139%，并且隨著各種材料摻量的增大，強度增長速度越快.

另外，結果表明，粉煤灰、礦渣、砂與淤泥混合都會發(fā)生一系列物理化學反應，從而生成具有一定強度的膠結物，促進新型土工材料強度的提高.對比圖3、圖4和圖5可知，對無側限抗壓強度的影響程度大小依次為粉煤灰、礦渣、砂.

表2 試驗方案

注：m1:水泥摻量;m2：EPS顆粒摻量；m3粉煤灰摻量；m4：礦渣摻量；m5：砂摻量；m6：石灰摻量；m7：石膏摻量

圖2 水泥摻量與無側限抗壓強度的關系

圖3 粉煤灰摻量與無側限抗壓強度的關系

在60 d齡期內，各種摻料固化后的試樣無側限抗壓強度變化都隨著齡期的增長逐漸呈現增大趨勢，7 d至14 d齡期內強度增長速度最快，28 d至60 d齡期內強度增長趨緩.其中，圖3曲線表明試樣的抗壓強度在28 d齡期后仍有小幅度的提升，其原因可能是粉煤灰的火山灰效應在養(yǎng)護28 d后才逐漸發(fā)揮效應，試樣強度在28 d至60 d齡期內最大增長速率為21.3%.

圖4 礦渣摻量與無側限抗壓強度的關系

圖6所示為EPS顆粒摻量與淤泥固化土的無側限抗壓強度變化曲線.圖6中數據表明，EPS顆粒的最初加入量小于8 g時會導致試樣無側限抗壓強度會急劇減小，當摻入量大于20 g，試樣的強度會有一定程度的提高，這是由于EPS顆粒之間呈現一定有序空間結構排列，能夠在一定程度提高試樣的抗壓強度.由此可見，EPS顆粒雖然能夠大幅度減小固化淤泥土的質量，但是過多地摻入EPS顆粒會影響新型土工合成材料的強度.

圖5 砂摻量與無側限抗壓強度的關系

圖6 EPS顆粒摻量與無側限抗壓強度的關系

圖7所示齡期與淤泥固化土的無側限抗壓強度變化曲線.圖7中曲線表明，添加石灰、石膏會使無側限抗壓強度有較大程度的增長，7 d至14 d齡期強度增加的幅度最大分別為98%、69%，28 d齡期后強度增長速度緩慢.因為石膏吸水后體積膨脹，強度降低，因此石灰的固化效果要好于石膏，在實際工程中可優(yōu)先選用石灰作為固化材料.

圖7 齡期與無側限抗壓強度的關系

由于新型土工材料與水泥土在工程中的用途相似，因此固化材料的摻入比可參照《水泥土配合比設計規(guī)程》(JGJ/T233-2011)中規(guī)定：水泥摻入比宜取10%～25%.結合以上典型的試驗結果及工程經濟性，取固化劑總的摻入比為10%±0.2%.

對淤泥固化劑配合比的研究成果[7-12]進行總結分析，可知水泥、粉煤灰、礦渣的最佳配合摻入比占固化劑總量的20%～40%，發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒占4%～8%.因此，結合本試驗結果得到每種固化材料的配合比范圍：發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒為4%～6%，水泥為20%～25%，礦渣為10%～15%，粉煤灰為15%～20%，砂為15%～20%，石膏為5%～10%，石灰為5%～10%.

取最佳配合比范圍中的一組配比(聚苯乙烯泡沫EPS顆粒:4%;水泥:25%;礦渣:15%;粉煤灰:20%;砂:20%;石膏:6%;石灰:10%)，固化劑的總摻入比為10.2%制成試樣，通過實驗得到不同摻量比下齡期與抗壓強度的變化關系，并與表2中單一固化材料(固化劑的總體摻入量大致為10%)的試驗結果進行對比，結果如圖8所示.

圖8 不同摻量比下齡期與無側限抗壓強度的關系

圖8中曲線表明在最佳配比中取任意組合固化效果顯著，在最佳配合比下的試樣固化強度在養(yǎng)護齡期60 d時達到450 kPa，遠遠大于單一固化材料作用下的最大抗壓強度225 kPa.單一固化摻料作用下，28 d后輕質土工材料強度增長較為緩慢，但在最佳摻量配比下材料強度仍有部分提高.這些結果表明，水泥的水化作用、粉煤灰的火山灰效應、礦渣、石膏、石灰的水化作用等多種反應過程能夠互相促進，緊密連接形成一個統(tǒng)一的整體，從而有效地提高輕質土工材料的后期強度.

3 固化機理探討

新型土工材料的強度形成是一個極為復雜的物理、化學反應過程.淤泥中的SiO2、Al2O3和有機質與水泥、EPS、粉煤灰、礦渣等材料間發(fā)生化學反應生成的水化物交叉連接形成一個空間網狀結構，在土工材料內部生成一定的水泥石骨架結構，使土顆粒之間緊密的連接形成一個整體，從而起到固化的作用.

3.1 水泥固化

水泥使淤泥混合土強度增長的主要包括兩個階段：前期是水泥的水解和水化反應生成的水泥石骨架結構，從上述的試驗結果可以看出，這個時期強度增長較快;而后期為淤泥中的黏土顆粒與水泥水化產物發(fā)生離子交換作用，這個過程強度增長較慢.不同于混凝土的化學反應過程，水化作用生成水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)、水化鋁酸鈣(C-A-H凝膠).水泥除了自身發(fā)生水化反應外，淤泥中的有機質所含硅、鋁亦參與反應，使得整個反應過程更加復雜.

3.2 輔助固化劑與水泥共同作用的機理

粉煤灰、礦渣與水泥與水泥混合后都會發(fā)生水化作用生成C-S-H凝膠和C-A-H凝膠，不同之處在于：

粉煤灰對淤泥的固化作用分為兩個階段，前期主要是粉煤灰的形態(tài)效應和微集料效應，反應生成大量的細微顆粒和玻璃微珠，可以有效地填充淤泥土中的孔隙.后期是與水泥共同作用發(fā)生的火山灰效應.

礦渣主要化學成分為SiO2、Al2O3，除可與水泥混合發(fā)生水化作用外，還可生成高強度、難溶解的含水鋁硅酸鹽礦物(斜方硅鈣石等)，這種細微晶體強度高、難溶于水且熱力學性質極為穩(wěn)定，使固化效果顯著.

淤泥中摻砂后抗壓強度明顯提高的原因是，淤泥內部形成了以砂為粗骨料，水泥凝膠微粒作為填充、膠結材料的結構.砂骨料的強度遠比水泥土凝膠微粒相互間吸附而形成的水泥土團粒的強度高，因此可使混合土強度顯著提高.

生石灰粉與水泥固化機理相似，都是與淤泥中的有機質發(fā)生水化作用，但石灰粉的反應速度相比水泥較慢，因此固化效果在齡期的后期較顯著.

石膏具有吸濕性好、凝結硬化快的特點，遇水后生成二水石膏膠體析出，并且伴隨著水化作用，淤泥土中的自由水不斷減少使微粒間的黏結力逐漸增強.

結合本試驗結果可知，在該新型土工材料中水泥與粉煤灰、礦渣的水化作用構成了材料強度的主要來源，其次是粉煤灰的火山灰效應、礦渣生成的水硅酸鹽礦物和砂形成的粗骨料.

4 結論

通過以連云港港區(qū)海相淤泥為原料的新型土工材料無側限抗壓強度試驗，得出以下結論：

1)各摻料對軟土的固化程度的影響不同，影響最大的是水泥，其次是粉煤灰、礦渣、砂，影響最小的是石灰、石膏.綜合考慮固化效果并結合工程造價，試驗得出的新型土木材料的最佳配比為：發(fā)泡聚苯乙烯EPS顆粒為4%～6%，水泥為20%～25%，礦渣為10%～15%，粉煤灰為15%～20%，砂為15%～20%，石膏為5%～10%，石灰為5%～10%.

2)在最佳配合比范圍內，新型土工材料的無側限抗壓強度遠大于單一固化材料的強度值.固化過程中的多種物理化學反應能夠相輔相成，互相促進，使混合土內部緊密連接形成一個統(tǒng)一的整體.

3)分析軟土的固化機理可知，該新型土工材料中水泥與粉煤灰、礦渣的水化作用構成了材料強度的主要來源，其次是粉煤灰的火山灰效應、礦渣生成的水硅酸鹽礦物和砂形成的粗骨料.